Компьютерные сети и сетевые технологии

Общие понятия компьютерных сетей. Протоколы и их взаимодействие. Базовые технологии канального уровня. Сетевые устройства физического и канального уровня. Характеристика уровней модели OSI. Глобальные компьютерные сети. Использование масок в IP-адресации.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид курс лекций
Язык русский
Дата добавления 16.12.2010
Размер файла 177,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Отсутствие требования распознавания коллизий позволяет без проблем строить протяженные сегменты сети без коммутаторов, только на концентраторах - до 2-х километров между узлами на оптоволокне и до 100 метров на витой паре.

Общий диаметр сети, построенной на концентраторах, может составлять при использовании оптоволокна до 5000 м.

Технология 100VG-AnyLAN имеет меньшую популярность среди производителей коммуникационного оборудования, чем конкурирующее предложение - технология Fast Ethernet. Компании, которые не поддерживают технологию 100VG-AnyLAN, объясняют это тем, что для большинства сегодняшних приложений и сетей достаточно возможностей технологии Fast Ethernet, которая не так заметно отличается от привычной большинству пользователей технологии Ethernet.

4. Технология Token Ring

Сети Token Ring представляют собой отрезки кабелей, соединяющие все компьютеры в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче компьютерам права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном.. Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984 год. Сети Token Ring работают на скоростях 4 Мбит/с и 16 Мбит/с и смешение разных скоростей в одном кольце не допускается.

Технология Token Ring является более сложной технологией чем Ethernet.

Для обеспечения доступа к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. Компьютеры в кольце непосредственно получают данные только от одного компьютера, от того который является предыдущим в кольце. Такой компьютер называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку. Передачу данных компьютер всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных. Получив маркер, компьютер анализирует его и при отсутствии данных на передачу обеспечивает его продвижение к следующему компьютеру. Компьютер, который имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ему право доступа к физической среде и передачи своих данных. За время удержания маркера (10 мс), м этот компьютер выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одного компьютера к другому. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Все компьютеры транслируют кадр, если кадр проходит через компьютер, то распознав свой адрес, компьютер копирует данные в свой буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Компьютер, выдавший кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим компьютерам сети передавать данные (Рис 2). Для скорости 4 Мбит/с максимальный размер кадра составляет 5000 байт, а для 16 Мбит/с - 20 000 байт. В ка честве физической среды используется экранированная витая пара, неэкранированная витая пара, а также оптоволоконный кабель. Максимальное количество компьютеров в сети равно 260, а максимальная длина кабеля - 4 км. Максимальное расстояние между станциями 100 м.

Недавно компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, названный High- Speed Token Ring. Эта технология поддерживает битовые скорости 100 и 155 Мбит/с, сохраняя особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

5. Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - оптоволоконный стандарт распределенных данных - это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно- оптический кабель.

Стандарт FDDI был выпущен ANSI (American National Standards Institute) в 1984 году. В этот период быстродействующие рабочие места пользователей начинали требовать максимального напряжения возможностей существующих локальных сетей (в основном это были Ethernet и Token Ring). Возникла необходимость в новой технологии, которая могла бы легко поддерживать эти рабочие места и их новые прикладные задачи. Одновременно все большее значение уделяется проблеме надежности сети.

После завершения работы над FDDI, ANSI представила его на рассмотрение в ISO. ISO разработала международный вариант FDDI, который полностью совместим с вариантом стандарта, разработанным ANSI.

Хотя FDDI работает на более высоких скоростях, она во многом похожа на технологию Token Ring, т.к. использует такую же технику доступа к носителю информации (передача маркера).

В отличие от Token Ring технология FDDI строится на основе двух оптоволоконных кольцах, которые образуют основной и резервный путь передачи данных между компьютерами сети. Наличие двух колец - это основной путь повышения отказоустойчивости FDDI. В случае обрыва первичное кольцо объединяется со вторым, т.е. происходит реконфигурация кольца (Рис 3).

Технология FDDI позволяет обеспечить: максимальное количество подключенных компьютеров - 500, максимальный диаметр двойного кольца - 100 км, максимальные расстояния между компьютерами - 2 км.

На базе рассмотренных технологи и устройств канального и физического уровня модели OSI можно построить различные локальные сети. На рис 4. показан пример распределенной магистрали, которая построена на основе двойного кольца FDDI для здания, к которому подключены коммутаторы этажей. Скорость распределенной магистрали существенно ниже скорости на внутренней магистрали коммутатора.

Лекция 5. Сетевые устройства физического и канального уровня

1. Линии связи

Линия связи представляет собой физическую среду передачи данных, по которой предаются информационные сигналы. Линия связи иногда называется также каналом связи.

Физическая среда в общем случае представляет собой кабель.

Коаксиальный кабель состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции.

В настоящее время широкое распространение при создании локальных сетей получила так называемая витая пара, представляющая собой скрученную пару проводов в экранированном и неэкранированном исполнении.

Волоконно- оптический кабель состоит из тонких (5- 60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный и дорогой тип кабеля. Волоконно- оптический кабель обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

В последнее время для передачи данных через компьютерную сети все чаще стали использоваться радиоканалы каналы наземной и спутниковой связи.

Следует отметить, что в компьютерных сетях применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Выбор той или иной линии связи определяется ее техническими возможностями, в первую очередь скоростью передачи и помехозащищенностью, а также ее стоимостью.

2. Соединительная аппаратура

Соединительная аппаратура обеспечивает возможность подключения различных сетевых устройств к линиям связи.

Наиболее распространенной соединительной аппаратурой являются коннекторы, представляющие собой разъемные и / или неразъемные соединители, прикрепляемые к кабелям.

К соединительной аппаратуре относятся также различные кабельные адаптеры и разветвители, позволяющие стыковать разные типы кабелей и согласовать их сопротивления.

Кроссовые шкафы и панели представляют собой совокупность разъемов, посредством соединения которых линии связи коммутируются между собой.

Для усиления сигнала в линиях связи используются различные усилители, в задачу которых входит компенсировать затухание сигнала путем его усиления.

Сетевые адаптеры представляют собой отдельные платы и служат для соединения компьютера с кабельной системой. В общем случае они представляют собой сложную систему со встроенным процессором и собственной памятью. Для функционирования адаптеров необходимы особые программы, называемые драйверами. Сетевые адаптеры вместе с драйверами реализуют технологии физического и канального уровня (Ethernet, Token Ring, FDDI). Наиболее популярными сетевыми адаптерами технологии Ethernet, например, являются сетевые адаптеры фирмы 3Сом.

3. Структурированная кабельная система

Структурированная кабельная система - это набор кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов. Как правило при построении сетей каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в этот момент этого не требуется. Хорошая структурированная кабельная система строится как избыточная система. В будущем это может сэкономить средства, так как производить перекоммутацию всегда дешевле, чем прокладывать новые кабеля. Структурированная кабельная система строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями. (Рис.1). Система может быть построена на базе уже существующих телефонных сетей. В структурированную кабельную систему предприятия входят:

Подсистема кампуса (территориально расположенные здания)

Вертикальная подсистема (внутри здания)

Горизонтальная подсистема (в пределах этажа)

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей

Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания

Подсистема кампуса соединяет между собой несколько зданий

Преимущества иерархической системы:

Универсальность. Структурированная кабельная система может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной компьютерной сети, для телефонной сети и даже для передачи сигналов гражданской обороны и пожарной сигнализации

Увеличения срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10- 15 лет

Уменьшение стоимости. Если однократно провести работы по прокладке кабелей с запасом, то при добавлении новых пользователей и изменения их мест расположения стоимость будет ниже, чем снова прокладывать новые кабеля.

Возможность легкого расширения. Система является модульной, можно подключить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она уже разделена на физические сегменты.

Обеспечение более эффективного обслуживания. Облегчен поиск неисправностей. Отказ одного сегмента не действует на другой сегмент.

Надежность. Производитель гарантирует не только качество отдельных компонентов, но их совместимость.

Для построения структурированной кабельной системы необходимо выбрать соответствующий кабель. Для горизонтальной подсистемы, которая характеризуется большим количеством ответвлений, необходимо использовать большое количество отрезков кабелей. Витая пара для этой подсистемы является предпочтительной средой, хотя может быть использован и дорогостоящий оптоволоконный кабель. Стоимость волокнно- оптического кабеля является самой высокой и складывается из стоимости самого волокна и стоимости сетевых адаптеров (несколько тысяч долларов) Коаксиальный кабель является устаревшей технологией, которой следует избегать, если она уже широко не используется на предприятии. Перспективной является в настоящее время беспроводная технология, но из-за низкой помехоустойчивости (радиоканал) масштабы ее применения ограничены. Кабель вертикальной подсистемы, которая соединяет этажи здания, должен передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. В настоящее время используются три варианта: волоконно- оптический кабель, толстый коаксиальный кабель, широкополосный телевизионный кабель. Наиболее предпочтительным является волоконно- оптический, хотя он более дорогой и менее прочный. Для подсистеме кампуса следует выбирать волоконно-оптический кабель в специальной влагозащитной оболочке.

4. Концентраторы

Концентраторы во всех современных технологиях имеет несколько равноправных названий- концентратор, хаб (hub), повторитель. Основное назначение концентратора - это объединять между собой физические сегменты сетей в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одной из технологий Ethernet, Token Ring, FDDI. Причем для каждой технологии фирмы выпускают соответствующие концентраторы. Необходимость подключения концентраторов возникает всегда там, где необходимо подключить большое количество компьютеров к общей шине (магистрали), например, объединить компьютеры одного этажа и этажи между собой. Концентраторы имеют несколько входов (портов) для подключения компьютеров, их количество для технологии Ethernet от 8 до 72. Схема подключения концентраторов представлена на рис 2.

Современные концентраторы могут анализировать повреждение кабельной системы, защищать сеть от несанкционированного доступа и т.д. Основным недостатком концентраторов является то, что они не «изолируют» сегменты друг от друга и не препятствуют распространению коллизий в технологии Ethernet, о которой шла речь в предыдущих лекциях. Другими словами, при подключении концентраторов общая длительность кабелей для равна сумме всех отрезков кабелей от компьютеров до концентраторов, а также отрезков между концентраторами. Эта длина должна соответствовать стандартам технологий Ethernet, Token Ring, FDDI, что является препятствием для создания компьютерных сетей только на базе концентраторов. Проблему соединения сегментов сетей и предотвращения распространения коллизий в настоящее время решают устройства мосты и коммутаторы.

5. Мосты

Мостом (bridge) называется устройство, которое служит для логической структуризации сетей. Под логической структуризацией сети понимается разбиение большой сети на логические сегменты, в которых содержится меньшее количество узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает большей производительностью и надежностью. Экспериментально установлено, что существует определенный порог для количества компьютеров, подключенных к разделяемой среде, после которого начинает падать пропускная способность сети. В общем случае для технологии Ethernet рекомендуется, чтобы количество компьютеров в одном сегменте не превышало 30. Таким образом, большую сеть целесообразно разбивать на отдельные сегменты, а затем объединять их с помощью такими устройствами, как мосты и коммутаторы. Мост по своим функциональным возможностям является более совершенным устройством, чем концентратор. Мост принимает кадр из одного сегмента сети, запоминает его в своей буферной памяти, анализирует адрес назначения кадра. Если кадр принадлежит сегменту сети, из которого он получен, то мост не реагирует на этот кадр. Если кадр содержит адрес компьютера, принадлежащего другому сегменту, то мост осуществляет пересылку на свой порт, к которому подключен требуемый сегмент. . Мост содержит свою адресную таблицу, в которой содержаться адреса источников кадров. В отличие от концентраторов мост передает кадры не сразу по- битно, а с буферизацией (запоминанием). Буферизация разрывает единую разделяемую среду и тем самым позволяет предотвращать коллизии. Таким образом, использование мостов позволяет вести расчет сети по каждому из сегментов, не суммируя общее затухание.

К недостаткам мостов относится ситуация, когда передача кадра происходит сразу на все порты моста, т.е. возникает так называемый широковещательный шторм.

Следует отметить, что в настоящее время мосты практически не производятся, а им на смену пришли более совершенные устройства - коммутаторы.

6. Коммутаторы

Технология соединения сегментов сети с помощью коммутаторов (switch) появилась в 1990 году для решения проблемы повышения пропускной способности сети. В отличие от моста коммутатор обрабатывает кадры параллельно. Структурная схема коммутатора показана на рис 3. Компьютеры подключаются к соответствующим портам коммутатора, каждым из которых управляет отдельный процессор. Работу всех процессоров координирует системный модуль. Для передачи кадров между портами внутри коммутатора находится специальная коммутационная матрица, работающая по принципу коммутации каналов. Например, для 16 портов матрица может обеспечить 16 внутренних каналов. При поступлении кадра информации от компьютера на какой- либо порт коммутатора соответствующий процессор анализирует адрес назначения кадра. Процессор просматривает свою собственную память (адресную таблицу) и если не находит там указанный адрес, то управление переходит к системному модулю. Системный модуль производит просмотр адресов всех процессоров и в случае нахождения нужного адреса указывает его процессору. Тот записывает адрес в свою таблицу и по этому адресу передает кадр на соответствующий порт. Если адрес не находится, то кадр уничтожается. Если адресуемый порт занят, то кадр сохраняется во входном порту до момента освобождения адресуемого порта. Задержка от момента появления кадра на входном порту до момента его появления на выходе составляет несколько микросекунд. Поскольку несколько портов могут работать параллельно, то сеть, построенная на коммутаторах, имеет хорошую пропускную способность. Производительность самого коммутатора в этом случае равна сумме производительностей его отдельных портов. Использование коммутаторов позволяет избежать проблем коллизий в сети Ethernet, так как наличие портов и буферизация данных не позволяет распространяться коллизии по всей сети. В этом случае длина сети не равна сумме длин отдельных сегментов.

Удобство использования коммутаторов заключается также в том, что это самообучающееся устройство и следует только правильно подключить его к сети. Коммутаторы значительно дороже концентраторов (стоимость одного составляет нескольких тысяч долларов). На современном рынке широко представлены коммутаторы фирм 3Com, Cisco, Intel,HP.

При построении небольших сетей, составляющий нижний иерархический уровень (например, на этаже) приходится выбирать между концентратором и коммутатором. В этом случае необходимо учитывать несколько факторов. Важное значение имеет стоимость, величина трафика между отдельными сегментами сети, скорости работы протоколов. В настоящее время скорости выбираются из трех скоростей- 10, 100 или 1000 Мбит/с. Поэтому порты как концентратора, так и коммутатора должны обеспечить указанные скорости В настоящее время выпускаются коммутаторы, у которых порты имеют разную скорость, как правило один из портов является более скоростным и может быть использован для подключения сервера.

При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на коммутаторах все они используют две базовые структуры- стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль.

Стянутая в точку магистраль - это структура, при которой объединение компьютеров, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимущество такой структуры является высокая производительность магистрали, так как скорость передачи информации по такой магистрали составляет несколько гигабит в секунду. Преимущество такой структуры заключается также в том, что по внутренней магистрали могут передаваться данные различных протоколов, например, Ethernet, FDDI.

Распределенная магистраль - это разделяемый сегмент сети, поддерживающий определенный протокол, к которому подсоединяются коммутаторы других сегментов.

Лекция 6. Сетевой уровень модели OSI

1. Основные функции сетевого уровня

Рассмотренные в предыдущих лекциях технологии и оборудование физического и канального уровня модели OSI позволяют обеспечить обмен информацией между компьютерами только в пределах одной локальной сети. Канальный уровень, однако, не в состоянии осуществить обмен информацией между компьютерами в сложной компьютерной сети, состоящей из нескольких отдельных сетей. Эту задачу решает сетевой уровень.

Сетевой уровень в модели OSI занимает промежуточное положение: его услугами пользуются более высокие уровни (транспортный, сеансовый, представительный, прикладной), а для выполнения своих функций он использует канальный уровень.

На сетевом уровне реализуется ключевое понятие объединения сетей, т.е понятие абстрактной коммутационной системы или межсетевого обмена.

На сетевом уровне информация передаются отдельными блоками, которые называются пакеты.

Идея передавать информацию между отдельными сетями не целыми файлами, а маленькими пакетами стала основной идеей объединения сетей, а в конечном итоге привела к бурному развитию глобальной компьютерной сети Интернет.

Пакетный обмен информацией на сетевом уровне имеет два главных преимущества:

· независимость процессов передачи данных сетевым уровнем от прикладных программ. Компьютеры сетевого уровня «не знают», какому приложению принадлежит данный пакет, их задача состоит в передаче пакета в нужном направлении. Это ускоряет процессы обработки пакетов и делает систему передачи информации более гибкой.

· каждый из пакетов имеет заголовок, обязательно содержащий адрес назначения. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня отдельных подсетей, входящих в общую сеть. Этот заголовок позволяет находить адресата в сети с любой топологией.

Пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня и передаются по подсети в соответствии с правилами реализованной в этой подсети технологии (Ethernet, FDDI и т.д.)

В общем случае сетевой уровень модели OSI решает следующие задачи:

· переадресация информации между конечными узлами в составных сетях путем выбор маршрута передачи пакетов

· согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях составной сети

Следует иметь четкое представление, что реальное продвижение пакетов осуществляется только на канальном и физическом уровне модели OSI, т.к. только там существуют электрические или оптические сигналы. Без «упаковки» пакетов в кадры соответствующих канальных технологий сам сетевой уровень передать информацию не в состоянии. Это наглядно представлено на Рис.1

2. Маршрутизация и маршрутизаторы

Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах- компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах- маршрутизаторах, называемых шлюзами. Маршрутизаторы (router) может представлять собой как специализированное устройство, так и универсальный компьютер.

Компьютерная сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей (Рис.2).

Сети, входящие в основную сеть называются подсетями или просто сетями. Подсетями могут быть как локальные, так и глобальные компьютерные сети. Следует отметить, что внутри одной подсети на канальном уровне используется единая технология из рассмотренных в предыдущих лекциях..

Маршрутизаторы связывают подсети между собой путем непосредственной адресации каждой из подсетей. Способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер узла. Номер узла называется также локальным адресом..

Продвижение пакетов между подсетями, в соответствии с адресами назначения называется маршрутизацией. На Рис. 3 показан принцип работы маршрутизатора, где в качестве примера приведена таблица маршрутизации маршрутизатора М4.

Для выбора маршрута пересылки пакета маршрутизатор анализирует специальную таблицу маршрутизации, которая хранится в памяти маршрутизатора. В первом столбце таблицы перечислены номера сетей, входящих в общую сеть. В каждой строке таблицы следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (точнее его соответствующий порт), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался к сети с данным номером. Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, из него извлекается номер сети назначения, сравнивается с каждой строкой таблицы. В случае совпадения номера, записанного в таблицу, с требуемым номером пакет будет передвигаться в этом направлении

Если, например, маршрутизатор 4 принял пакет, который предназначен для сети S6, то в последней строке своей таблицы маршрутизации он определит, что сеть S6 подключена к первому порту маршрутизатора М5, а для того, чтобы пакет попал на маршрутизатор 5, маршрутизатор 4 должен отправить пакет на свой второй порт.

Таблица маршрутизатора М4

Сеть

Сетевой адрес следующего маршрутизатора

Сетевой адрес выходного порта

Расстояние до сети назначения

S1

М1 (2)

М4 (1)

1

S2

-

М4 (1)

0

S3

М1 (2)

М4 (1)

1

S4

М2 (1)

М4 (1)

1

S5

-

М4 (2)

0

S6

М5 (1)

М 4(2)

1

Таблицы маршрутизации могут составляться либо статически, либо динамически. Статические таблицы прописываются вручную администратором сети, а динамические таблицы строятся самими маршрутизаторами, которые обмениваются между собой информацией о конфигурации сети с помощью специальных служебных протоколов (например, RIP, OSPF, NLSP).

При использовании динамических алгоритмов таблица маршрутизации автоматически обновляется при изменении топологии сети или интенсивности информационных потоков (трафика). Реализуемые специальными служебными протоколами алгоритмы определения состояния сети различаются по способу получения информации, времени изменения маршрутов и используемым показателям оценки того или иного маршрута.

Одно-маршрутные алгоритмы определяют только один маршрут, при этом он может оказаться не оптимальным. Многомаршрутные алгоритмы предлагают несколько маршрутов к одному и тому же получателю. Такие алгоритмы позволяют передавать пакеты получателю по нескольким каналам связи одновременно, что повышает пропускную способность и надежность сети в целом.

Кроме основных функций маршрутизации на сетевом уровне маршрутизатором осуществляется фильтрация передаваемой по сети информации. Маршрутизаторы по сравнению с концентраторами и коммутаторами являются более «интеллектуальными» устройствами. С помощью своего программного обеспечения маршрутизаторы способны производить анализ отдельных полей в кадре, администратор сети может с их помощью задавать сложные алгоритмы фильтрации данных. Они, например, могут запретить прохождение в сети всех пакетов, кроме пакетов сети, принадлежащей конкретному предприятию. Маршрутизаторы могут анализировать структуру сообщений верхнего уровня модели OSI, не пропускать в сеть сообщения определенных служб (например, FPT).

Они могут реализовывать алгоритмы обслуживания очередей данных. Связь маршрутизатора (т.е. сетевого уровня) с канальным осуществляется с помощью преобразования сетевого адреса в локальный адрес той сети, где используется определенная технология канального и физического уровня. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов.(ARP) Этот протокол устанавливает соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо рассылкой широковещательных запросов, которые определяют и возвращают машрутизатору локальные адреса.

Пакет сетевого уровня снабжается сетевым заголовком, в котором указываются длина пакета, адрес источника, адрес получателя, время жизни пакета и другая служебная информация. С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора, а также номер порта маршрутизатора отправителя предаются вниз, канальному уровню.. На основании указанного номера порта выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата, предписываемого соответствующей технологией канального уровня. Другими словами, маршрутизатор заранее «знает», к какому порту подключена подсеть, и какая именно технология канального уровня реализуется в этой подсети. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Если маршрутизатор реализован на персональном компьютере, то локальный адрес канального уровня представляет собой физический адрес сетевой палаты компьютера, он задается заводом изготовителем и называется MAC - адресом (Media Access Control) Сформированный таким образом кадр отправляется в сеть.

Для работы на сетевом уровне используются различные протоколы, такие как TCP\IP и IPX/ SPX, причем в последнее время протокол TCP/ IP вышел в абсолютные лидеры. Более подробно протокол TCP/IP будет рассмотрен в лекциях, посвященных изучению Интернет.

Как отмечалось выше,о современные маршрутизаторы в состоянии находить наилучший путь продвижения пакетов, т.е. в некотором смысле оптимизировать маршрутизацию. Маршрутизаторы могут поддерживать как один протокол сетевого уровня (например, IP), так и множество протоколов. В последнем случае такие маршрутизаторы называются многопротокольными.

По областям применения маршрутизаторы можно классифицировать:

· магистральные маршрутизаторы. Они предназначены для построения центральной сети фирмы или предприятия. Такая сеть, как правило, состоит из большого числа локальных сетей, расположенных в разных зданиях и даже регионах, использующих разнообразные технологии канального уровня. Магистральные маршрутизаторы- это наиболее мощные устройства, способные обрабатывать несколько тысяч или даже несколько миллионов пакетов в секунду.

· региональные маршрутизаторы соединяют региональные отделения фирмы или предприятия между собой и центральной сетью. Маршрутизаторы этого типа представляют собой некоторую упрощенную версию магистральных маршрутизаторов. Это наиболее обширный класс маршрутизаторов, из имеющихся на рынке.

· маршрутизаторы удаленных офисов соединяют, как правило, локальную сети удаленного офиса с центральной сетью или с сетью регионального отделения.

· маршрутизаторы локальных сетей предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Основное требование, предъявляемое к таким маршрутизаторам - это высокая скорость маршрутизации. Все порты работают на скорости 10 - 100 Мбит/ с.

На современном рынке сетевого оборудования лидерство по маршрутизаторам держат фирмы Cisco и 3Сom.

3. Тенденции развития маршрутизаторов

Традиционное построение компьютерной сети с использованием концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов выглядит таким образом, что на нижнем уровне располагаются сегменты сети, быстро работающие на концентраторах и коммутаторах. На более высоком уровне располагается маршрутизатор, к которому подключено определенное количество локальных сетей (подсетей). Через порты маршрутизатора проходит информация от компьютеров одной сети к компьютерам другой сети. В общем случае маршрутизатор затрачивает на обработку каждого пакета больше времени, чем коммутатор на обработку кадра, поскольку выполняет более сложную обработку данных, включая алгоритмы фильтрации, выбор оптимального маршрута и т.д.

В настоящее время ситуация в компьютерных сетях быстро меняется. Это в первую очередь связано со стремительным ростом количества пользователей, а также с увеличением числа мультимедийных приложений (аудио, видео и т.д.), которые необходимо передать через сеть. Все это выдвигает требование увеличения производительности сетевого оборудования, что, однако, тормозится низкой скоростью работы маршрутизаторов.

Для разрешения возникшей проблемы могут быть предложены два пути: либо отказаться вообще от маршрутизации, либо увеличить ее производительность.

Первый путь предполагает применять маршрутизацию как можно реже, только там, где от нее никак нельзя отказаться. Например, на границе между локальной и глобальной сетью. С другой стороны, отказ от маршрутизаторов означает отказ от интеллектуальных возможностей обработки пакетов. Это повышает производительность сети, но приводит к потере всех преимуществ, которые давали маршрутизаторы. Если сравнить маршрутизаторы с коммутаторами, то можно отметить следующее:

- маршрутизаторы более надежно изолируют подсети друг от друга, защищая их от ошибочных кадров, порожденных например вирусами.

- маршрутизаторы обладают более развитыми возможностями защиты сети от несанкционированного доступа за счет реализации функции анализа и фильтрации предаваемой информации

- сеть, не разделенная маршрутизаторами, имеет ограничения на число компьютеров. Например, для самого популярного протокола IP это ограничение составляет 255 компьютеров для сетей самого доступного класса С.

Таким образом, можно сделать вывод, что в сети необходимо сохранять функции маршрутизации в традиционном виде.

Второе направление, предполагающее повышение производительности маршрутизаров развивается, как это не странно, фирмами производителями коммутаторов. Для этого коммутатор наделяется некоторыми свойствами маршрутизатора, что позволяет достигать скорости маршрутизации в 5-7 миллионов пакетов в секунду. Такие коммутаторы называются коммутаторами 3-го уровня.

В указанных коммутаторах функции коммутации и маршрутизации совмещены. Функции коммутации и маршрутизации в одном устройстве могут совмещаться двумя способами: классическим, когда маршрутизация выполняется только по пакету, который надо передать между подсетями, а пакет, который адресован своей подсети, коммутируется и ускоренным.

При ускоренном способе осуществляется маршрутизация так называемого устойчивого потока пакетов.

Устойчивый поток пакетов в первую очередь характерен тем, что, большое количество пакетов имеют один и тот же адрес назначения. В этом случае коммутатор выполняет маршрутизацию только первых пакетов, а остальные пакеты устойчивого потока направляет без анализа вслед первыми пакетами непосредственно по конечному адресу назначения. Такой способ маршрутизации является очень производительным, но имеет те недостатки, что коммутатору необходимо довольно точно определять устойчивый поток, так же направлять пакеты по конечному адресу назначения. Как было указано выше, в таблице маршрутизации хранятся адреса «ближайших соседей» маршрутизатора и может не быть конечного адреса назначения для устойчивого потока. Для обеспечения ускоренной маршрутизации многими фирмами разрабатываются специальные служебные протоколы, которые позволяют коммутаторам обмениваться между собой информацией о нахождении конечного адреса устойчивого потока.

Сегодня наблюдается четкая тенденция вытеснения традиционных маршрутизаторов высокопроизводительными коммутаторами 3-го уровня, совмещающих в себе функции как коммутации, так и маршрутизации.

Лекция 7. Глобальные компьютерные сети (ч. 1)

1. Структура глобальных сетей

Как уже отмечалось в первой главе, глобальные сети (WAN, Wide Area Networks) позволяют организовать взаимодействие между компьютерами на больших расстояниях. В идеале глобальная компьютерная сеть должна передавать данные абонентов любых типов, которые есть на предприятии и нуждаются в удаленном обмене информацией. Для этого глобальная сеть должна предоставлять целый комплекс услуг: передачу пакетов локальных сетей, обмен факсами, передачу телефонных разговоров, обмен видеоизображениями и т.д.

Из приведенного выше перечня услуг глобальных сетей видно, что они используются в основном как транзитный транспортный механизм, предоставляющий только услуги трех нижних уровней модели OSI. В последнее время, однако, в связи с развитием сети Internet, где представлен самый широкий спектр услуг протоколов верхнего уровня (WWW, News и д.р.), к сетевым ресурсам глобальных сетей предъявляет новые требования. В Наблюдается сближения технологий глобальных и локальных сетей на разных уровнях модели OSI - от транспортных до прикладных.

В общем случае глобальная сеть строится с помощью каналов связи, которые соединяются коммутаторами глобальной сети. Такие коммутаторы называются также центрами коммутации пакетов (ЦАП). Отметим, что в зависимости от технологий передачи данных в глобальных сетях пакеты могут называться кадры, ячейки. Коммутаторы устанавливаются в тех географических пунктах, в которых требуется ответвление или слияние потоков данных конечных абонентов или магистральных каналов, переносящих данные многих абонентов. Выбор места установки коммутаторов определяется многими факторами: наличием квалифицированного персонала по обслуживанию в данной местности, надежностью местной сети, наличием необходимых линий абонентов, стоимостью и т.д. Абоненты сети подключаются к коммутаторам также по выделенным каналам связи, которые имееют более низкую пропускную способность, чем магистральные каналы. Для подключения конечных пользователей допускается использование коммутируемых (не выделенных) каналов, т.е. каналов телефонных сетей. Такие каналы имеют значительно низшее качество связи из- высокого уровня шумов. Конечные узлы глобальной сети более разнообразны, чем конечные узлы локальной сети. На рис 1. показан пример построения глобальной сети. Как видно из рисукна к глобальной сети могут подключаться как отдельные домашние компьютеры, так и целые локальные сети, телефонные станции, а также друигие устройства, требующие каналов связи. При этом для совмещения передачи компьютерных и голосовых данных используются специальные устройсва, называемые мультиплесорами. Обычно предача голоса имеет более высокий приоритет.

При передаче данных через глобальную сеть маршрутизаторы и коммутаторы работают с той же логикой, что и в локальных сетях. В этом случае последние называются удаленными коммутаторами. Маршрутизаторы принимают решение о пересылке пакетов на основании номера сети какого либо протокола сетевого уровня (например IP) . Следует при использовании предприятием глобальной сети четко выяснить перечень предоставляемых глобальной сетью услуг, а также определить интерфейс взаимодействия сети предприятия с глобальной сетью, чтобы его оборудование и программное обеспечение корректно сопрягалось с соответствующим оборудованием и программным обеспечением глобальной сети. Протоколы взаимодействия глобальной сети с абонентами называются интерфейсы пользователь- сеть (User-to-Network Interface, UNI), а протоколы взаимодействия коммутаторов внутри глобальной сети называются интерфейсами сеть - сеть (Network- to Network Interface, NNI). Аппаратура (устройства), вырабатывающие данные для передачи в глобальную сеть называются устройствами DTE (Data Terminal Equipment)- порт маршрутизатора, модем домашнего пользователя и т.д. Так как с этих устройств данные передаются в глобальную сеть по каналу связи, имеющему определенный стандарт, то устройства DTE оснащаются устройствами, называемыми DCE (Data Circuit terminating Equipment). Между этими устройствами существует свой интерфейс (стандарт), наиболее популярный из известных - RS-232 C/ V245. Он представляет собой 25 контактный разъем, где на каждый контакт должен поступать в соответствии со стандартом определенный сигнал (питание, земля, передающий сигнал, принимаемый сигнал, сигнал синхронизации и т.д.). Скорость передачи данных до 115 200 бит/ с. Указанный интерфейс, например, реализован во всех компьютерах в виде СОМ - порта. Кроме этого существуют другие интерфейсы - RS 449, V35, Х 21, HSSI (High - Speed Serial Interface) Некоторые из них могут поддерживать скорость до 10 Мбит на расстоянии до 10 метров.

2. Типы глобальных сетей

При построения глобальной сети необходимо учитывать множество различных факторов, но главными из них является выбор типа глобальной сети, или, другими словами выбор метода организации каналов передачи информации. В общем случае выделяют три типа глобальных сетей. Это сети с использованием:

· выделенных каналов

· коммутации каналов

· коммутации пакетов

Отметим особенности каждого из типов глобальных сетей.

Выделенные каналы можно получить у телекоммуникационных компаний (в Республике Беларусь, например, у Белтелеком), которые владеют каналами дальней связи и сдают их в аренду.

Использовать выделенные линии можно двумя способами:

- территориальная сеть строится с их помощью для соединения между собой коммутаторов (как на рис 1).

- Соединение между собой только объединяемых локальных сетей или конечных абонентов другого типа

Второй случай является более простым и предпочтительным, т.к. так как отсутствуют протоколы глобальных сетей. Иногда второй способ называется «услуги выделенных каналов», так как в нем действительно больше ничего не используется из технологий собственно глобальных сетей. Выделенные каналы активно применяются сегодня для связи между крупными локальными сетями, так эта услуга гарантирует пропускную способность арендуемого канала. При большом, однако, количестве географически удаленных точек и интенсивном трафике использование выделенных каналов приводит к высоким затратам за счет большого числа арендуемых каналов.

Глобальные сети с коммутацией каналов

Сети с коммутацией каналов в настоящее время используют каналы двух типов: традиционные аналоговые телефонные каналы и цифровые каналы с интеграцией услуг ISDN (будет рассмотрена в следующей лекции). Преимуществом сетей с коммутацией каналов является их широчайшая распространенность - обычные телефонные сети. Последнее время сети ISDN также стали использоваться в нашей республике.

Основным недостатком аналоговых телефонных сетей является низкое качество составного канала из-за перекрестных частотных помех Цифровые каналы связи лишены указанных недостатков, так как по каналу передается сигналы в специальном цифровом кодировании. Сети с коммутацией каналов имеют тот недостаток, что пользователь платит не за объем переданной или полученной информации, а за время подключения. Одна для работы дома телефонные каналы связи являются единственной возможностью выхода в глобальную компьютерную сеть.

Глобальные сети с коммутацией пакетов.

Принцип коммутации пакетов был рассмотрен в предыдущих лекциях. К таким сетям относятся в настоящее время такие технологии как Х25, frame relay, SDMS и АТМ, которые будут подробнее рассмотрены ниже.

3. Магистральные сети и сети доступа

Территориальные глобальные сети можно разделить на две большие категории:

· Магистральные сети

· Сети доступа

Магистральные сети используются для образования связей между крупными локальными сетями, принадлежащим большим подразделениям. Они должны обеспечить высокую пропускную способность, т.к. на магистрали объединяются потоки большого количества сетей. Кроме этого они должны обеспечивать высокий коэффициент готовности, т.к. через них может проходить очень важная оперативная информация. Обычно в качестве магистральных сетей используются цифровые выделенные каналы со скоростями от 2 до 622 Мбит / с и используются технологии сетей frame relay, ATM, X25 или TCP/ IP сети. Для обеспечения высокой готовности магистрали используется смешанная избыточная топология.

Под сетями доступа понимаются территориальные сети, необходимые для связи небольших локальных сетей и отдельных удаленных компьютеров с центральной сетью предприятия. Вопросам удаленного доступа в последнее время уделяется особенно важное значения, т.к. быстрый доступ к корпоративной информации из любой географической точки является в настоящее время важным фактором для своевременного принятия управленческих решений. В качестве удаленных узлов могут быть также банкоматы или кассовые аппараты. К сетям доступа предъявляются требования, существенно отличающиеся от требований к магистральным сетям. Так как точек удаленного доступа может быть много, то в этом случае сеть доступа должна иметь очень разветвленную структуру, которая может быть использована сотрудниками как дома, так и в командировках. Кроме этого стоимость удаленного доступа должна быть не высокой, чтобы экономически оправдать большое число удаленных пользователей. В качестве сетей доступа обычно применяют телефонные аналоговые сети, сети ISDN, иногда сети frame relay. Для таких сетей используются каналы со скоростью 64 Кбит/с - 2 Мбит/с.

Программные и аппаратные средства , которые обеспечивают подключение компьютеров или локальных сетей удаленных пользователей к глобальной сети называются средствами удаленного доступа . Обычно на клиентской стороне это модем и соответствующее программное обеспечение.

Организацию массового удаленного доступа со стороны сети обеспечивает обычно сервер удаленного доступа (Remote Access Server, RAS). Такие сервера имеют много низкоскоростных портов для подключения пользователей через аналоговые телефонные сети или ISDN.

На рис. 2 показа структура глобальной сети, объединяющая в корпоративную сеть отдельные локальные сети и удаленных пользователей.

4. Качество обслуживание в глобальных сетях

Предоставление качества обслуживания в глобальных сетях является в настоящее время одним из важнейших требований, предъявляемых к этим сетям. Впервые вопрос о качестве обслуживания в глобальных сетях стал обсуждаться с попыток объединения в них голосового и компьютерного трафика (интенсивности передачи информации). Каждый из трафиков требуют различной пропускной способности, длины пакетов передаваемой информации, а также методов ее передачи. В общем случае для передачи голоса и компьютерной информации выдвигаются взаимоисключающие требования.

В процессе совершенствования глобальных сетей была разработана специальная технология обеспечения качества обслуживания, называемая QoS (Quality of Service).

Основная идея указанной технологии заключается во- первых в резервировании необходимых для пользователя ресурсов сети, например, необходимой полосы пропускания канала связи, а во- вторых в способности пользователя полностью использовать предоставляемые ресурсы.

Технологи качества обслуживания должна обеспечить распределение трафика по категориям для гарантии прохождения более приоритетного трафика сети. При этом необходимо обеспечить заданные параметры трафика независимо от конкуренции со стороны другого трафика.

Определяющим при использовании QoS является предоставление защиты наиболее приоритетному трафику от «посягательства» со стороны менее приоритетного трафика.

Важнейшей задачей QoS является «справедливое» распределение сетевых ресурсов и выработка у пользователей привычки ждать от сети выполнения именно тех параметров, которые они запрашивали.

Отметим, что потребность в QoS увеличивается по мере того, как многочисленные сети с разработанной системой приоритетов и различными характеристиками объединяются для создания единой сети предприятия или нескольких предприятий.

Отметим, что в настоящее время технологию QoS предлагают поставщики услуг в сетях ATM, Frame Relay, частично ISDN.

Технология QоS не используется в глобальной сети Интернет, поскольку предполагает поддержку качества обслуживания на всем протяжении передачи информации, что пока Интернет обеспечить не может. Существуют пока определенные проблемы и при совмещении в сети Интернет голосового и компьютерного трафика.

Однако, тенденции развития сети Интернет позволяют сделать вывод, что в будущем технология QоS будет внедряться и в сеть Интернет. Первые шаги в этом направлении сделаны при созданию так называемой IP- телефонии.

Лекция 8. Глобальные компьютерные сети (ч. 2)

1. Глобальные сети на основе выделенных каналов

Выделенный канал - это канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Абонентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), так целые сети.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые..

Аналоговые выделенные каналы.

Аналоговые выделенные каналы (линии) могут быть 2-х проводные или 4- проводные. В 4- х проводных линиях два провода используются на прием, а два на передачу, что значительно увеличивает пропускную способность канала.

Аналоговые выделенные каналы делятся на нагруженные и ненагруженные.

Первую группу составляют линии , проходящие через аппаратуру телефонных станций, и работают на тональных частотах от 3,1 КГц до 108 КГц.

Вторая группа выделенных аналоговых линий - это линии, которые не проходят через аппаратуру уплотнения телефонных станций. Такие линии обладают широкой полосой пропускания (до 1 МГц).

Для передачи информации по аналоговым линиям связи используется частотное разделение каналов, где каждый канал имеет собственную частотную полосу. Поэтому недостатком таких линий связи является влияние каналов друг на друга, т.е. наличие перекрестных частотных помех.

Для передачи данных по выделенным нагруженным аналоговым линиям связи используются специальные устройства, называемые модемами. Модемы преобразуют цифровой сигнал в аналоговый с помощью методов аналоговой модуляции. В зависимости от режимов работы различные модемы обеспечивают различные скорости передачи данных : от 1200 бит/с до 33,6 Кбит/с.

Цифровые выделенные каналы

Цифровые выделенные линии представляют собой постоянные линии связи, работающие на принципе разделения каналов по времени. Исторически существует для таких линий две технологии передачи данных: более ранняя PDH (Plesiochronic Digital Hierarchy) - почти синхронная (плезио) иерархия и SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - синхронная иерархия. В США синхронная иерархия реализована в стандарте SONET.

Основной принцип технологии PDH заключается в объединении на более высоком уровне в один канал несколько более низкоскоростных каналов. В начале (60-е годы 20-го столетия) была разработана аппаратура низшего уровня (ее назвали аппаратура Т1), которая объединила в цифровом виде на постоянной основе 24 абонента. Каждый абонентский канал образовывал поток данных скоростью 64 Кбит/ с. Затем на более высоком уровне четыре канала Т1 объединялись в более скоростной канал Т2, передающий данные со скоростью 6,312 Мбит/с. В свою очередь семь каналов Т2 объединялись в канал Т3, имеющий скорость 44,736 Мбит/с. АппаратураТ1,Т2,Т3 образует при взаимодействии иерархическую сеть (Рис.1).


Подобные документы

  • Компьютерные сети и их классификация. Аппаратные средства компьютерных сетей и топологии локальных сетей. Технологии и протоколы вычислительных сетей. Адресация компьютеров в сети и основные сетевые протоколы. Достоинства использования сетевых технологий.

    курсовая работа [108,9 K], добавлен 22.04.2012

  • Достоинства компьютерных сетей. Основы построения и функционирования компьютерных сетей. Подбор сетевого оборудования. Уровни модели OSI. Базовые сетевые технологии. Осуществление интерактивной связи. Протоколы сеансового уровня. Среда передачи данных.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 20.11.2012

  • Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети. Компьютерные сети: основные типы и устройство. Глобальная сеть Интернет. Современные сетевые технологи в компьютерных сетях. Особенности технологии Wi-Fi, IP-телефония. Виртуальные частные сети.

    презентация [648,3 K], добавлен 14.02.2016

  • Понятие сети ЭВМ и программного обеспечения компьютерных сетей. Локальные, корпоративные и глобальные вычислительные сети. Технологии сетевых многопользовательских приложений. Сетевые ОС NetWare фирмы Novell. Назначение службы доменных имен DNS.

    учебное пособие [292,6 K], добавлен 20.01.2012

  • Классификация компьютерных сетей. Взаимодействие компьютеров в сети. Сетевые модели и архитектуры. Мосты и коммутаторы, сетевые протоколы. Правила назначения IP-адресов сетей и узлов. Сетевые службы, клиенты, серверы, ресурсы. Способы доступа в Интернет.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 11.05.2014

  • Основные концепции, определяющие современное состояние и тенденции развития компьютерных сетей. Аспекты и уровни оргаизации сетей, от физического до уровня прикладных программ. Назначение и роли локальных сетей. Сетевые структуры. Бескабельные каналы.

    курс лекций [885,8 K], добавлен 15.01.2010

  • Топологии и концепции построения компьютерных сетей. Услуги, предоставляемые сетью Интернет. Преподавание курса "Компьютерные сети" Вятского государственного политехнического университета. Методические рекомендации по созданию курса "Сетевые технологии".

    дипломная работа [5,5 M], добавлен 19.08.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.